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(共36张PPT)
3.3 DNA的复制
问题探讨
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。”
in the following communications. We were not aware of the details of the results presented there when we devised our structure, which rests mainly though not entirely on published experimental data and stereo-chemical arguments.
It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the gengtic material.
Full details of the structure, including the con-ditions assumed in building it , together with a set of co-ordinates for the atoms, will be published elsewhere.
《核酸的分子结构》论文节选
讨论：
1.碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
2.这句话中为什么要用“可能”二字？这反映科学研究具有什么特点？
碱基互补配对原则是指DNA两条链的碱基之间有准确的一一对应关系，暗示DNA的复制可能需要先解开DNA双螺旋的两条链，然后通过碱基互补配对合成互补链。
科学研究需要大胆的想象，但得出结论必须建立在确凿的证据之上。
自学指导
学生默读课文，思考课后题：
1、对DNA复制的推测？
2、DNA半保留复制的实验证据？
3、DNA复制的过程？
要求：坐姿端正、认真阅读、边读边思考
时间：5分钟
生物必修二
倒计时展示
无论细胞有丝分裂还是减数分裂，都要经历一个较长的细胞分裂间期。细胞在分裂间期主要有什么变化？
DNA分子是怎样进行复制的呢
提出问题
②作出假说
推测可能复制方式。
④实验验证，得出结论
实验、得出结论、验证假说。
①提出问题
DNA如何复制？
③演绎推理
根据复制模式，
预测实验结果
假说——演绎法
沃森和克里克紧接着提出遗传物质自我复制假说：
DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基间氢键断裂，解开的两条单链分别作为复制的模板，游离的脱氧核苷酸根据碱基互补配对原则，通过形成氢键，结合到作为模板的单链上。
由于新合成每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中一条链，因此，这种复制方式称作半保留复制。
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
T
脱氧
核糖
P
T
C
脱氧
核糖
P
G
脱氧
核糖
P
A
脱氧
核糖
P
假说——演绎法
假说1
提出假说
假说2：全保留复制
以两条母链为模板合成两条DNA子链，子代DNA中母链重新结合，两条子链彼此结合成另一个子代DNA分子。
亲代DNA
子代DNA
提出假说
假说3：分散复制方式
亲代DNA分子断裂成短片段，以这些亲本短片段为模板合成同样长短的新的DNA片段，再将这些新旧片段混合连接，形成完整的全长DNA分子。这样形成的双链，均既含有亲本DNA片段，又有新合成的DNA片段。
亲代DNA
子代DNA
半保留复制(沃森和克里克）
全保留复制
分散复制
有人质疑
如何证明那个观点是正确的？
提出
提出假说
探究：
1.通过实验区分DNA复制方式的三种假说,实验的关键是什么？
2.DNA是肉眼看不可见的，如何区分亲代和子代的DNA呢？
关键思路：区分亲代和子代的DNA
梅塞尔森
斯塔尔
1958年
同位素标记技术
大肠杆菌（繁殖快，20min一代）
3.该实验用什么元素做标记 用32P，14C等具有放射性同位素标记呢
无法区分亲代和子代DNA
密度梯度离心技术
密度
低
高
14N/14N—DNA
15N/14N—DNA
15N/15N—DNA
(轻带)
(中带)
(重带)
【背景知识】
15N和14N是氮元素的两种稳定同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，因此，利用离心技术可以在试管中分离开含有相对原子质量不同的氮元素的DNA。
探究：
科学家先用含有15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖若干代，这时，大肠杆菌的DNA几乎都是15N标记的。然后，将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的普通培养液中。在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。
【实验过程】
演绎推理
15NH4Cl
14N/ 14N
-DNA
繁殖若干代
15N/ 15N
-DNA
目的？
得到的大肠杆菌DNA几乎都是15N标记的
15N/ 15N
-DNA
再分裂一次
分裂一次
提取DNA
离心
提取DNA
离心
？
？
？
哪个位置
？
？
？
哪个位置
14NH4Cl
演绎推理
尝试画出1个DNA分子按半保留复制、全保留复制的方式复制两次的图解
第一代
第二代
亲代
(1)半保留复制
(2)全保留复制
(3)弥散复制
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
轻
中
重
演绎推理
15N
14N
14N
15N
14N
14N
14N
14N
15N
14N
15N
14N
P
F1
F2
15N
15N
15N/15N
重带
15N/14N
14N/14N
15N/14N
轻带中带
中带
第二代
第一代
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
含14N的培养液
1.假设DNA的复制是半保留复制
第二代
含14N的培养液
第一代
提出DNA离心
提出DNA离心
15N
15N
P
F1
F2
14N
14N
提出DNA离心
重带
轻带重带
轻带
重带
15N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
14N/14N
15N/15N
1.假设DNA的复制是全保留复制
得出结论
证明DNA的复制是半保留复制
排除DNA的复制是全保留复制
排除DNA的复制是分散型复制
亲 代
子一代
子二代
细胞再分裂一次
15N
14N
15N
15N
14N
14N
转移到含14NH4Cl的培养液中
细胞分裂一次
15N
14N
提出DNA离心
提出DNA离心
提出DNA离心
15N/15N-DNA
15N/14N-DNA
15N/14N-DNA
14N/14N-DNA
提出问题
作出假设
得出结论
演绎推理
实验验证
证明DNA半保留复制的实验
DNA以半保留方式复制（全保留、分散）
推理、探究几种复制模式下得到子代DNA的可能情况，预测可能实验结果
DNA以半保留方式进行复制
证明DNA半保留复制的实验
假说演绎法
该图为噬菌体侵染大肠杆菌的实验示意图，请大家思考红色圈大肠杆菌内子代噬菌体的DNA分子，为什么有的DNA两条链中一条为红色标记一条为蓝色标记，为什么有的DNA分子的两条链均为蓝色标记？
：
T2噬菌体侵染大肠杆菌实验
DNA复制方式为半保留复制
与半保留复制的预期相符合。
实验结果：
实验结论：
DNA分子复制的方式是半保留复制。
物理、化学技术对生物学研究具有重要意义！
（1）概念：
是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
随着染色体的复制而完成的
减数分裂前的间期
有丝分裂间期
真核生物
细胞质：线粒体、叶绿体
细胞核(主要)
原核生物
拟核
细胞质
病毒：
宿主细胞
（4）条件：
（2）发生时期：
（3）场所：
DNA两条母链
细胞中游离的4种脱氧核苷酸
ATP（破坏氢键）
解旋酶、DNA聚合酶等
模板
原料
能量
酶
DNA复制的过程：
（5）DNA复制的过程：
解旋酶
酶
5'
3'
3'
5'
DNA聚合酶
5'
3'
前导链
5'
3'
冈崎片段
DNA连接酶
DNA聚合酶的底物：
脱氧核苷酸
DNA连接酶的底物：
DNA片段
后随链
前导链与后随（滞后链）：
互补配对
知识拓展：DNA半不连续复制
（5）DNA复制的过程：
DNA聚合酶
DNA解旋酶
复制分叉
子链
DNA模板链
DNA聚合酶
DNA模板链
子链
DNA
氢键
一条母链和一条子链螺旋成为一个新的DNA分子
解旋
合成子链
重新螺旋
解旋酶
双链解开
4种脱氧核苷酸
DNA聚合酶
磷酸二酯键
4种脱氧核苷酸
加热
完全解旋需要7小时
DNA分子
ATP
解旋酶
原料
ATP
DNA聚合酶
得到子代DNA需要8小时
A组实验
B组实验
DNA聚合酶
4种脱氧核苷酸
DNA分子
ATP
解旋酶
得到子代DNA只需要7.5小时
资料1：哺乳动物DNA分子展开可达2米，科学家在研究DNA复制时，在适宜情况下人工合成DNA，过程如下：
女性子宫肌瘤细胞中最长的DNA分子达36mm，DNA速度约为4μm/min(1mm=1000μm)，但复制过程仅需40min左右即完成。
果蝇DNA有多个复制起点，可同时从不同起点开始DNA复制，由此加快DNA复制速率，为细胞分裂做好物质准备。
请你推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因。
果蝇DNA的电镜照片
资料2：
半保留复制
边解旋边复制
多个复制起点
复制方向
复制方向
复制方向
复制起点
复制起点
复制起点
(从结果看)
(从过程看)
（6）特点：
单起点双向复制
3'
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
原核生物DNA复制
（8）结果：
（9）意义：
1个DNA分子
2n个完全相同的DNA分子
（10）精确复制的原因：
①双螺旋结构为其提供 ；
② 原则及 复制使复制准确进行。
精确模板
碱基互补配对
半保留
从子链的5' 端向 3' 端延伸
将遗传信息从亲代传给子代，保持了遗传信息的连续性。
（7）方向：
人类生殖过程中，受精卵并不都能保证繁殖成功。有些胚胎在受精后几天内停止发育并死亡，通常是因为它们的染色体数量异常。现在，哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医生学院的研究人员发现，这些错误大多是由于细胞分裂早期DNA复制中的自发错误造成的。
C
G
T
A
T
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3'
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ATP
解旋酶
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3'
5'
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3'
5'
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A
DNA聚合酶
5'
3'
T
A
T
G
C
A
T
G
A
T
C
G
A
G
C
T
T
5'
3'
ATP
ATP
形成磷酸二酯键
C
C
G
T
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A
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C
G
G
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3'
5'
A
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3'
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3'
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T
A
5'
3'
一、概念检测
1．DNA复制是在为细胞分裂进行必要的物质准备。据此判断下列相关表述是否正确。
（1）DNA 复制与染色体复制是分别独立进行的。 （ ）
（2）在细胞有丝分裂的中期，每条染色体是由两条染色单体组成的，所以DNA的复制也是在这个时期完成的。 （ ）
×
×
2．DNA复制保证了亲子代间遗传信息的连续性。下列关于DNA复制正确的是（ ）
A．复制均在细胞核内进行
B．碱基互补配对原则保证了复制的准确性
C．1个DNA分子复制1次产生4个DNA分子
D．游离的脱氧核苷酸在解旋酶的作用下合成子链
B
3．将DNA双链都被15N标记的大肠杆菌放在含14N培养基中培养，分裂3次叙述正确的是 （ ）
A．所有的大肠杆菌都含有15N B．含有15N的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比例为1/2
C．含有15N的大肠杆菌占全部大肠杆菌的比例为1/4
D．含有15N的DNA分子占全部DNA分子的比例为1/8
C
二、拓展应用
1．虽然DNA复制通过碱基互补配对很大程度上保证了复制准确性，但DNA平均每复制109个碱基对，就会产生1个错误。根据这一数据计算，约有31.6亿个碱基对的人类基因组复制时可能产生多少个错误？这些错误可能产生什么影响？
可能有6个碱基发生错误，产生的影响可能很大，也可能没有影响

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